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光学显微镜明细解释——之无限远光学系统

雨木霖

2019/05/30

生物显微镜

在过去的10年里，基本上所有的主要的显微镜制造商迁移到研究级生物医学和工业显微镜无限远校正光学系统的利用率。在这些系统中，图像的距离被设置为无穷大，并策略性地放置在物镜和目镜（目镜），以产生中间图像之间的管体的管（或奥特兰克）透镜。

无限远光学系统允许引入的辅助成分，如微分干涉相差（DIC）的棱镜，偏振器和落射荧光光源，成平行的焦点和像差校正效果，只需要很少的目标和管透镜之间的光路。较早的有限，或固定管长度，显微镜有一个指定距离鼻甲开幕，客观桶固定，眼座中的目镜管。这个距离被称为机械管长度的显微镜。该设计假定，当样品被放置在焦点，它是在几微米远于目标的前焦面。在19世纪时由皇家显微学会（RMS）有限管长度在160毫米标准化，并享有广泛的接受了100多年。用显微镜具有160毫米的管长度的设计是用于目标题使用该值在枪管上。
添加到一个固定的管长度显微镜的光路中的光学配件增加了有效的管的长度更大的值超过160毫米。出于这个原因，一个垂直的另外的反射光照明器，偏振的中间阶段，或类似的附件可以引入到出一个理想的校正光学系统的球面像差。大多数显微镜管长度固定期内，制造商被迫将这些配件额外的光学元件，重新建立有效的160毫米管长度显微镜系统。这一行动的成本常常是一个增倍镜和光照强度降低由此产生的图像。
一些反射光系统也阻碍了“鬼影”，出现的结果会聚光线通过分光镜。在试图规避所带来的另外的辅助光学组件的构件中，德国显微镜制造商赖克特原来先驱的无限远光学系统的概念。该公司开始无限远校正光学系统试验早在20世纪30年代由莱卡和蔡司紧随其后，但这些光学大多数厂家没有成为标准设备，直到20世纪80年代。
管子的长度在无限远校正的显微镜被称为基准焦距和范围在160至200毫米之间，取决于制造商（见表1）。通过管镜头或目标（次），实现无穷大系统中的光学像差校正。残余的横向色差在无穷大目标可以很容易地补偿小心管镜头设计，但一些制造商，包括尼康，选择正确的球形和色差物镜本身。这可能是由于开发的专有新的玻璃配方，具有极低的分散体。还有一些制造商（尤其是蔡司ICS系统）利用组合更正管镜头和目标。
无限远光学系统参数
生产厂家管镜头
焦距
（毫米）齐焦距离
（毫米）螺纹类型
徕卡 200 45 M25
尼康 200 60 M25
奥林巴斯 180 45 RMS
蔡司 165 45 RMS
表1
表1给出的规格，包括管镜头焦段，齐焦距离，和客观螺纹型，各大厂商所提供的无限远校正显微镜。虽然徕卡和尼康都用一根管子长度为200毫米和25毫米螺纹尺寸的客观，客观齐焦距离是与尼康CFI 60系统明显更大。奥林巴斯，蔡司使用更短的管镜头焦距（分别为180和165毫米），但两家公司有标准化的客观螺纹尺寸和坚持的齐焦长45毫米。
固定管长度在有限的光学系统，通过物镜的光通过朝向中间图像平面（位于目镜的前焦面）和在该点的收敛，发生和相消干涉，以产生图像（图图2（a））。这种情况很不同的无限远校正光学系统中产生的磁通的目标成像在无穷远（通常简称为无穷大的空间，如图2（b）），正被聚焦在中间像平面的平行光的波列管镜头。应该指出的是，为无限远校正的显微镜设计的目标通常是不可互换的与用于有限的（160或170毫米）光管长度显微镜，反之亦然。上使用时，由于缺乏管透镜的有限的显微镜系统，无限远透镜遭受增强的球面像差。然而，在某些情况下这是可能的，利用有限的目标在无限远校正的显微镜，但具有一些缺点。的数值孔径的有限目标受到损害，当它们被用来与无穷大系统，从而导致分辨率降低。此外，齐焦之间的有限和无限远的目标，在同一系统中使用时，丢失。有限目标的距离和放大倍率的工作也将下降，当它们被用来用显微镜具有管透镜。
正如上面所提到的，基本是无穷大系统的光学元件的目的，管透镜和目镜。如在图2（b）所示，试样的目标的前焦面，收集从试样的中央部透过或者反射的光，并产生一个平行光束沿着光轴的投影位于向管透镜显微镜。的光的一部分到达目标源于试件的外周，并进入在斜角度，斜地前进的（但仍然在平行束）向管透镜的光学系统。管透镜收集的光，然后集中在中间像平面中，并随后由目镜放大。

物镜与镜筒透镜一起形成的化合物的物镜系统，在一个有限的距离内的显微镜镜筒中生成的中间图像。管透镜的位置相对于目标的首要关心的问题是设计时无限远校正的显微镜。物镜与镜筒透镜（无穷大的空间）之间的区域中提供了一个路径到复杂的光学元件，可放置的引入的物镜焦距的球面像差或修改的情况下，平行光线。实际上，齐焦匹配的集合中的不同的目标之间可以保持与无限远校正的显微镜，即使当被添加到一个或两个辅助元件的光路。另一个主要的好处是配件的设计可以产生精确的倍值，而不改变物镜与镜筒镜头之间的对齐。此功能允许比较样品，使用的组合的几种光学技术，如荧光（单独或同时）相衬或DIC。这是可能的，因为成一组平行的光波下的光学配件的位置（横向或轴向），也没有图像的焦点不会移动。
如果管透镜位于非常接近的目标，可用于辅助光学组件的空间量是有限的。然而，有一个上限，可以位于在现代显微镜设计的约束内管透镜和物镜之间的光学元件的数量。太多的目标配管透镜周收集的光波通过透镜的数量减少，从而导致中变黑或边缘模糊的图像，并减少显微镜的性能。应当强调的是，术语的无限远光学系统是指生产的磁通平行的右射线通过物镜后，没有一个是无限空间内的显微镜。为了最大限度地提高显微镜的配置的灵活性，同时保持高的性能，这是必需的优化的目标和管透镜之间的距离。
放大倍率的计算方法是将基准焦距（管长）由物镜的焦距无限远校正目标。管透镜的焦距增加，到中间像平面的距离也增加，这将导致在一个延长了的管的长度。管长度200毫米和250毫米之间被认为是最优的，因为更长的焦段会产生较小的离轴角对角的光线，降低了系统的文物。管的长度越长，也增加了系统的灵活性方面设计配套部件。
比较具有160毫米和200毫米的管透镜的焦距（图3）的系统时，一个较长的管透镜的焦距的优点变得明显。减少离轴对角线波磁通角接近长焦距光学系统的一个显着比例。减少的倾斜角的光线产生相对较小的附件组件（DIC棱镜，相位环，二向色镜等），从而提高了效率，在显微镜通过在这两个轴上和离轴光线的变化。戏剧性的提升归因于在无限远校正系统观察到与外延荧光照明的对比度水平光管较长的镜头焦段优势。的改善，与无限远光学显微镜观察到的图像的一个例子是在图4中示出了鼠小肠三个荧光染料标记的薄截面。显微照片记录尼康的Eclipse E600利用CFI 60石油20倍油浸物镜数值孔径0.75微分干涉对比和落射荧光模式同时运行。

与无限远系统的物镜的焦距必须增加，以保持相同的放大倍数时，较旧的固定管长度系统。使用共焦距为45毫米，是多年的显微镜制造商所使用的所有与有限的管长度系统，但高性能无限远校正光学系统，这可能是不够的。例如，可以有计划复消色差的油浸物镜60X（表现最好的有限目标之一）超过10个单独的透镜元素和组，在一个非常紧张的适合目标约束的齐焦距离为45毫米。当管透镜的焦距变得无穷大系统所取代，它被细分成一个单独的目标（与一个更大的一些光学元件）和管透镜，相当于约150毫米。为了满足全光的潜力无穷大系统，客观的齐焦距离必须管镜头焦距相匹配。因此，对于一个200毫米的焦距，最佳的齐焦距离为60毫米，超过旧的标准化了15毫米的长度。
无限远光学系统中使用的焦段更长的客观要求来匹配相应的更大的工作距离。增加物镜齐焦距离是最重要的工作距离实现了显着的增加，特别是对于较低倍物镜。比如，用1X的物镜中，所用的公式来计算倍率为无限远校正系统支配管透镜，物镜焦距应该是相同的。在一个系统中与管200毫米镜头焦距，这将需要一个较长的齐焦距离，才能使用这种低倍率的目标。计算表明，低至0.5倍的倍率，可以得到与200毫米的管透镜的焦距，但较短的焦距限制稍高于1倍的范围内的值的最小的物镜放大倍率。
另一个要考虑的是，这也必须增加，为获得最佳性能，在具有长管透镜的焦距的光学系统的低倍率的目标的客观的瞳孔直径。RMS标准客观螺纹尺寸，20.32毫米，限制了有效的瞳孔直径可达到的最大数值孔径配备目标。为了产生更高的数值孔径长管镜头焦段正在利用时，客观上螺纹尺寸必须增加。要达到所需的数值孔径的实际出射光瞳直径（D）由下式表示：
D = 2NA×F
其中NA是数值孔径和 f 是物镜的焦距。因此，对于具有100毫米（利用一个200毫米焦距管透镜）的数值孔径为0.10的焦距的2倍复消色差物镜，必要的出射光瞳直径（D）为20毫米。显然，一个较小的目标的螺纹大小限制在低于10倍的无限远光学系统设计时的放大倍率物镜的数值孔径。高于200毫米的管长度增加，需要更大的目标，出射光瞳的大小，这样的无限远校正的显微镜的式样的一个限制因素。

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